将军戈壁一号露天煤矿烧变岩水文地质勘察

孙进步，朱 涛

（新疆天池能源有限责任公司，新疆 昌吉 831100）

将军戈壁一号露天煤矿位于新疆奇台县城北东90 km 处，极值地理坐标：东经90°08′12″～90°16′30″，北纬44°33′45″～44°39′45″，中心坐标东经90°12′21″，北纬44°36′00″。矿田位于准东西黑山矿区东北部，卡拉麦里山南麓山前一带，区域地势呈向南缓倾的斜坡，地貌形态为残丘状剥蚀平原，属于接近盆地中间沙漠地带，径流非常微弱，大气降水是地下水的主要补给源。矿田的北部煤层浅部均已火烧，地表形成广泛分布的烧变岩，烧变岩区具备良好的导水通道和储水空间[1]。首采区紧邻烧变岩区，当矿田开挖后，烧变岩中赋存的地下水顺势向低洼地汇聚，顺势对矿坑充水，对未来矿田开采构成威胁。

虽然在普查、详查、勘探阶段已对矿田含水层富水性、火烧区富水性进行了探查，但总体主要基于对矿田水文地质条件进行探查，未针对首采区进行精准探测。矿田北部富水范围尚未探查清楚，并且开采区域烧变岩边界控制不足，容易给制定防治水措施造成误导。故对将军戈壁一号露天煤矿北帮烧变岩区综合水文地质进行研究，为采矿设计和防治水工作提供参考，避免将来开采过程中发生涌水事故。

1 物 探

1.1 探区概况

本次探测区域位于首采区北帮煤层火烧区内，地面电法勘探工作是在前期勘探工作基本圈定火烧区泛围的基础上，重点勘探烧变岩的含水性质。瞬变电磁法设计测网密度80 m×20 m，测线108 条，瞬变电磁法物理点5 285 个，面积4.34 km2；高密度电法测网密度80 m×10 m，52 条剖面，剖面长度45 100 m，高密度电法物理点4 510 个，面积4.34 km2。参照测区施工环境和地球物理条件，在采用磁法探查煤层烧变岩区边界的基础上，使用瞬变电磁法和高密度电法探查煤层烧变岩区富水情况[2]。

1.2 物探地球物理特征

一般情况下，煤系常见岩石表现不同的电阻率值，泥岩、粉砂岩、中粗砂岩的电阻率值依次增高。煤系在垂向上的电阻率的升高或降低，电阻率在顺地层方向因岩性变化较小表现均匀。当煤系地层中因裂隙、破碎带而充水时，由于水的良好导电性，使裂隙、破碎带与周围其他岩石产生明显电阻率差异，这就是电磁法进行水文地质探测的前提[3]。

工作区浅地表均为干燥的砂、砾石、砂土层堆积物，厚约10～15 m，为相对中高阻，其下的含煤层为相对高阻，深部的粉、细砂岩为相对低阻。从垂向上看，将军戈壁一号露天煤矿地层剖面从上至下电性整体呈现为中高阻－低阻－高阻－低阻。本次探测的主要目标层处于相对高阻的侏罗系地层中，当目标层因烧变岩积水而富水时，将使正常的高阻地层显示相对低阻特征，从而使地下水位置和范围显现[4]。

1.3 瞬变电磁法资料的解释推断

本次工作面积较大，瞬变电磁勘探线剖面约110 条，剖面线较多，选取具有代表性的全区典型剖面进行解释。选取剖面位于测区的西侧，剖面长880 m，方位角为15°。瞬变电磁推测烧变岩界线及地下积水区域平面图如图1。

剖面电性特征共分4 层，电性特征由浅至深依次为相对高阻-低阻-高阻-低阻。结合实际地质特征及地层柱状图推测，浅部0～30 m 高阻特征是由干燥的砂土和细砂岩引起。深约20～50 m 低阻异常推测是由含水细砂岩引起。深约50～160 m 的高阻异常推测为烧变岩区，是由细砂岩、砾岩及含煤地层引起。160 m 至深部中阻异常是由正常地层粉砂岩引起。根据等值线特征，推测深部低阻等值线变化平缓区是由粉砂岩、泥质粉砂岩地层引起；深部等值线变化密集部位推测为局部赋水区域。

依据瞬变电磁成果，由北至南电性变化特征为相对中高阻-低阻-中阻-低阻-高阻，东西为相对中高阻特征，推测为正常地层或不含水火烧区。工作区北侧及南侧有明显的低阻异常带，根据煤层火烧后，局部区域富水后打破正常地层的电性特征，视电阻率为低阻特征,瞬变电磁推测烧变岩界线及地下积水区域平面图如图1，推测2 个富水区域，局部圈闭较好的低阻异常推测为富水性较高的区域位置[5]。

1.4 高密度电法资料的解释推断

工作区地层比较稳定，纵向层位变化不大，高密度测线分布广，比较密集，异常解释推断挑取比较有代表的、与瞬变电磁剖面在同一位置的典型断面进行解释推断。选取剖面剖面点距10 m，电极数为90个，剖面长900 m。168 线高密度测量地质推断解释如图2。

该剖面整体位于工作区西侧，从剖面整体形态来看地质界线较清楚，局部出现一些似球状、椭圆状高阻体，推测可能为砾石层或浅部不规则状干燥泥岩所引起[6]。

在整个断面10 m 往深部50 m 出现1 个低阻层状异常，推测可能为松散砂砾岩含水层；在50 m 以下为高阻层状异常，该异常根据其延伸状态，推断可能为烧变岩（含煤地层）区，需要钻探验证。

在断面460～520 m 处，低阻异常往深部继续延伸，推测由于受层间小破碎带的影响，含水层中的水沿破碎面渗透，往深部扩散，引起低阻异常成带状往深部延伸。

根据45 m 等深度视电阻率变化趋势，结合已有钻孔资料，依照本次高密度电法测量成果，推断的高密度电法推测烧变岩界线及地下积水区域平面图如图3。在本次高密度电法工作区45 m 等深度范围内共划分两处低阻异常区，编号Ⅰ、Ⅱ。Ⅰ号低阻区，位于工作区西北部，往西北继续延伸，深部低阻区主要为砂岩、粗砂岩，由于受地表补给水的影响，呈现低阻，推测为浅地表富水区域。Ⅱ号低阻区，位于整个工作区南部，往东西两侧延伸，深部低阻区主要为砂岩、粗砂岩、烧变岩组合，局部泥岩和泥质砂岩互层，由于受地表补给水的影响，呈现低阻，推测为浅地表富水区域。

图3 高密度电法推测烧变岩界线及地下积水区域平面图

1.5 烧变岩界线及地下积水区域综合推断成果

根据对以上2 种物探方法资料的解释推断，圈定了2 处积水区域，并划分了烧变岩界线。通过对整个工作区物探成果和地质资料的综合分析，系统的研究了工作区地层及电性分布特征得出：

1）近地表相对高阻层是由第四系砂土及砾石层引起，在整个物探区20～50 m 范围内层状低阻层为浅地表补给含水层，局部受层间破碎带的影响，地表补给水下渗，低阻层有往深部连通的趋势。中深部相对高阻异常推测是由烧变岩及含煤地层引起，深部低阻异常是由砂岩及富水烧变岩引起。

2）整个物探区内地质构造发育弱，整体地层呈低阻特征，电阻率值相对较低。通过瞬变电磁相对高低阻异常及电阻率等值线形态及特征推测火烧区边界及富水烧变岩区。

2 水文地质钻探

水文地质钻探是直接探明地下水的一种最重要、最可靠的勘探手段，是进行各种水文地质试验的必备工程，也是对水文地质测绘、物探成果所得地质结论的检验方法[7]。通过水文地质钻探、抽水试验、水质全分析等补勘方法，探明了含水层的埋藏深度、厚度、岩性和水头压力，查明了含水层之间的水力联系，确定了含水层富水性和各种水文地质参数，为烧变岩的水害评估提供科学依据，钻孔位置布置如图4。

图4 钻孔位置布置示意图

2.1 水文地质试验

水文地质补充勘探地面钻孔均进行单孔抽水试验，根据单孔抽水试验抽水量和水位降深等观测资料计算水文地质参数，并依此对地下水含水层的水文地质条件进行评价。抽水试验孔均穿过烧变岩含水层，且烧变岩含水层顶界有自由水界面，为潜水含水层，所以参考潜水完整井计算公式进行计算。辅助MODFLOW 软件，得出单位涌水量5.9～17.36 L（/s·m），渗透系数14.6～93.1 m/d，影响半径97.3～239.8 m。

2.2 水质全分析

在补勘过程中，采取水质全分析样。通过研究地下水水化学成分及其特征，了解地下水所处的循环条件，并可判断不同含水层水源，分析各含水层地下水的成因和运移规律，研究和解释矿区地下水水文地质条件。总共采取水质全分析样10 组，其中端帮基岩裂隙水水样5 组，烧变岩水样5 组。地下水中分布最广、含量较多的离子分别为Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、K+、Ca2+、Mg2+。这些离子的相对含量和绝对含量随着水文地质条件或其它外界环境的变化而变化，从而使地下水形成各种不同的水质特征。通过分析地下水化学成分及其特征，确定本次水文试验的端帮基岩裂隙水与火烧岩裂隙水为统一水体，2 种水体中元素含量相近。

2.3 烧变岩区涌水量预测

根据建立的水文地质概念模型及数学模型[8]，运用基于有限差分法的Visual Modflow 软件建立项目区的数值模型，然后经过参数识别及校正，对项目区的地下水流模型进行评价分析，为矿坑涌水量的计算做基础。根据研究区的基本情况，沿x、y 方向分别以25 m 间距等距剖分，在采场中部加密，整个评价区划分为2 层，长3 500 m，宽1 000 m，通过设立一排疏干井模拟开挖后水位降深。

工作区有2 个含水层，即原岩含水层与火烧岩含水层。虽然原岩含水层与火烧岩含水层为2 个不同的含水层，根据以往勘探资料，二者具备一定的水力联系，在结合实际情况和保证模型计算准确的前提下，将模型概化为1 个水平的含水层，烧变岩和原岩含水地层有不同的渗透系数，根据以往勘探资料，侏罗系中统西山窑组中段弱含水层组渗透系数约0.000 572～0.016 1 m/d，火烧岩的渗透系数约1.52～4.99 m/d。在现状条件下，采掘场渗水量最终稳定在98.3 m3/d，由此可计算出每天从边帮渗出的水量为98.3 m3/d。

3 结语

通过研究矿区以往地质与水文资料，以及火烧岩勘查资料，了解矿区的地层信息及空间分布特征。结合以往北帮火烧区勘查资料，通过对整个工作区物探测量成果的研究，对工作区地层及电性分布特征有了系统的认识，整个工作区内地质构造发育弱，地质结构比较稳定，工作区整体地层呈低阻特征，电阻率值相对较低，根据相对高低阻异常及电阻率等值线形态及特征推测火烧区边界及富水烧变岩区。

通过物探、水文地质钻探，并辅以抽水试验、岩石物理力学性质测试、水质全分析等补勘方法，探明了详细水文地质参数、采掘场日涌水量。从岩体情况分析出将一矿岩层隔水能力较好，突水风险低，但其后期受采矿影响较大，后期开采时提前开展探放水工作。